建築儲能系統(ESS, Energy Storage
System)防火安全要求初探
內 政 部建 築研 究 所 自 行研 究 成果 報告
中華民國 109 年 12 月
建築儲能系統(ESS, Energy Storage
System)防火安全要求初探
研究主持人： 蔡銘儒
研究 期程： 中華民國 109 年 3 月至 109 年 12 月
內 政 部建 築研 究 所自 行研 究 成果 報告
中華民國 109 年 12 月
（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）MINISTRY OF THE INTERIOR
RESEARCH PROJECT REPORT
Exploratory research on fire safety requirements of
building energy storage system
By Ming Ju Tsai
目次
目次... I 圖次... III 表次... V 摘要... VI Abstract ... IX 第一章 緒論... 1 第一節 研究緣起與目的... 1 第二節 研究方法與步驟... 2 第二章 儲能系統... 5 第一節 儲能系統定義... 5 第二節 儲能系統火災案例... 7 第三節 韓國儲能系統火災原因... 8 第四節 儲能系統火災危害機理... 18 第五節 儲能系統防火... 30 第三章 規範與標準... 54 第一節 KFS 412 鋰離子電池儲能系統防火安全指引... 54 第二節 美國法規、規範與標準... 55 第四章 結論與建議... 79 第一節 結論... 79 第二節 建議... 79 附錄一 韓國標準 KFS 412-2018... 80附錄二 INTERNATIONAL BUILDING CODE-2018 摘錄... 89
附錄三 International Fire Code-2018 摘錄... 91
附錄四 International Residential Code-2018 摘錄... 114
附錄七 NFPA 855 Standard for the Installation of Stationary Energy
Storage Systems-2020... 139
附錄八 UL 9540 ANSI/CAN/UL Standard for Energy Storage Systems and Equipment-2020... 228
附錄九 UL 9540A ANSI/CAN/UL Standard for Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems-2020 ... 288
附錄十 研究業務協調會議紀錄... 329
附錄十一 期中審查會議紀錄... 330
附錄十二 期末審查會議紀錄... 333
圖次
圖 1-1 研究計畫流程圖... 3 圖 2-1 電力事業內的電力能源儲存 ... 6 圖 2-2 儲能在電力系統中所扮演的角色... 6 圖 2-3 收集與事故現場電池所屬廠家、生產批次相同的電池進行解體分析 ... 10 圖 2-4 電池保護裝置內零件損壞 ... 11 圖 2-5 水分、粉塵試驗 ... 12 圖 2-6 容量與間隔距離概要 ... 16 圖 2-7 戶外安裝時需要考慮的事項 ... 17 圖 2-8 熱失控循環與對策 ... 19 圖 2-9 熱失控判斷流程 ... 21 圖 2-10 熱失控擴散模型 ... 24 圖 2-11 ESS 大尺度火災試驗配置 ... 31 圖 2-12 外部燃燒-開始加熱 ... 32 圖 2-13 起火 ... 32 圖 2-14 典型燃燒狀況 ... 33 圖 2-15 壓縮機破裂 ... 33 圖 2-16 高峰反應狀況 ... 33 圖 2-17 結束試驗狀況 ... 34 圖 2-18 內部燃燒-開始加熱 ... 35 圖 2-19 典型反應狀況 ... 35 圖 2-20 高峰反應狀況 ... 36 圖 2-21 結束試驗狀況 ... 36 圖 2-22 LFP（左）和 NMC（右）電池對濫用情況的響應示例 ... 40 圖 2-23 NMC 模組的側向火蔓延側視圖 ... 40 圖 2-24 LFP（左）和 NMC（右）在接近峰值熱釋放率時的照片 ... 41 圖 2-25 使用鎳鈷酸錳（NMC）電池進行了六模組耐火測試 ... 41圖 2-26 中尺度的自由燃燒測試中 LFP 著火的照片 ... 42 圖 2-27 中尺度自由燃燒測試期間 NMC 火勢發展的照片 ... 43 圖 2-28 NMC 模組的全面自由燃燒測試設置示例 ... 44 圖 2-29 大尺度自由燃燒試驗中 LFP 火災發展的照片 ... 45 圖 2-30 大尺度自由燃燒試驗期間 NMC 火災發展的照片 ... 46 圖 2-31 火災發生期間 LFP 灑水測試的照片 ... 47 圖 2-32 主機架與目標機架 NMC 撒水測試的照片 ... 48 圖 2-33 NMC 的測試後照片顯示了主機架和目標機架的完全耗盡 ... 49 圖 2-34 LFP 和 NMC 鋰離子電池類型進行的自由燃燒和撒水測試期間的熱釋放率 ... 49 圖 2-35 多個機架存儲在同一區域三種主要配置 ... 50 圖 3-1 試驗順序示意圖... 75 圖 3-1 試驗順序示意圖(續)... 76
表次
表 1-1 研究進度及預期完成之工作項目表 ... 4 表 2-1 韓國儲能系統火災統計 ... 9 表 2-2 ESS 相關的標準的主要內容比較 ... 14 表 2-3 熱失控現象的產生原因 ... 23 表 2-4 反應性層次及描述 ... 29表 2-5 估算的電池能量達到 NO、CO、HCl、SO2和 HF 有毒氣體的 IET 和 FLET 值（暴露時間為 60 分鐘，在 50 m3的房間內發生火災） ... 29 表 2-6：ESS 與不燃和可燃物體之間的最小間隔距離建議值，前提是根據有灑水 保護裝置... 39 表 2-7：在沒有防火措施的情況下，ESS 與不可燃和可燃物體之間的最小間距建 議... 39 表 3-1 允許的最大電池數量... 61 表 3-2 電池要求... 64 表 3-3 儲能系統閾值數量... 66 表 3-4 NFPA 1 儲能系統最大限值... 67 表 3-5 閾值... 71 表 3-6 NFPA 855 儲能系統最大限值... 72 表 3-7 UL 1973 試驗... 73 表 3-8 住宅使用 ESS... 73 表 3-9 非住宅使用 ESS... 74
摘要
關鍵字：電池、儲能系統、防火 一、研究緣起 綠能科技產業創新推動方案(2017) 能源轉型政策方針，透過太陽光電與風 力大量建置達成，再生能源在 2016 年至 2025 年間從 5%上升至 20%;核能從 12% 下降至 0%;燃煤從 45.4%下降至 30%;燃氣從 32.4%上升至 50%，「家庭用儲能系 統標準檢測驗證技術」(2018) 設定目標於 2025 年太陽光電及風力發電分別達 到 20GW 及 5.5 GW 的總發電量，但再生能源間歇性特性，容易受到天候及時間 的限制與影響，為了降低對電網的衝擊與提升電網穩定度，「儲能系統」為解決 方法之一。 由於全球儲能系統近年快速發展，相關防火安全的要求，目前只有國際消 防 協 會 International Fire Code (IFC) 、 美 國 National Fire Protection Association (NFPA)、日本及中國有較完整之規定。即便近年在儲能市場發展迅 速的德國及澳洲，其防火標準也仍在研擬當中。而儲能裝置的容量密度及容量不 斷增加，防火問題逐漸成為隱憂，再加上韓國、美國及中國大陸發生多起火災事 故，突顯目前國際對於儲能系統的防火安全要求仍未完善，本研究將以美國建築 儲能系統之防火安全相關法規、規範及檢測標準規定之整理與探討，以作為國內 建築儲能系統防火安全規定參考。 二、研究方法 整個研究架構大致分為數個階段，首先進行蒐集儲能系統火災案例及分析， 以瞭解儲能系統防火安全需求，並蒐集美國儲能系統防火安全國際相關規定發展， 以及防火安全測試方法與要求，進行實驗中心進行儲能系統防火試驗法可行性評 估與儲能系統防火安全建議。 三、重要發現1. 儲能系統之電池設計生產製造者，應提高電池內部、外部誘發熱失控與熱失 控擴散防範與措施。 2. 儲能系統機架/組容量應依電池類型限制最大容量，以及最大額定容量，若通 過大尺度耐火試驗得依測試放寬其容量。 3. 儲能系統機架與機架之間、機架與牆壁之間距離至少 0.9 m 以上，儲能系統 獨立區劃並距離公共區域 15 m 以上。 4. 儲能系統獨立區劃並依建築用途應至少有防火時效 1 小時以上，並設有偵煙 及氣體探測器、經認可之撒水系統，若通過大尺度滅火試驗得依測試放寬其 條件。 5. 戶外設置應距離公共道路、建築、可燃物或危險物品 3 m 以上，集裝箱之間 間隔 6 m 以上或 1 小時以上防火牆區隔。 6. 應有緊急應變計畫及訓練，並建立正確操作與維護。 7. 當發生火災於滅火後，應立即將該機架/組或電池移除，以避免發生復燃。 四、主要建議事項 建議一: 立即可行建議: 建築儲能系統安裝與要求規範 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關與機構:內政部營建署 內政部消防署 儲能系統安裝因電池類別不同，其防火區劃及消防等要求亦有所不同， 未達到再生能源在2016年至2025年間從5%上升至20%，除電網儲能系統外， 建築之儲能系統亦不可缺，但裝置於建築物內其防火、防爆及通風等安全性
必須配合進行規範，因此急待建立安裝及要求規範。 建議二: 立即可行建議: 儲能系統試驗標準 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關與機構:經濟部標準檢驗局 儲能系統由電池組合，以鋰電池在防火安全上之需求為例，受熱失控 的能力，然後評估已證明具有經受熱失控能力的那些電池儲能系統的火災和 爆炸危險特性等試驗法標準及試驗設施設備，亦為刻不容緩。
Abstract
Keywords: battery, ESS, fire 1. Research origin
Green Energy Technology Industry Innovation Promotion Plan (2017) the policy guidelines for energy transformation are achieved through the massive installation of solar photovoltaic’s and wind power. Renewable energy will increase from 5% to 20% between 2016 and 2025; nuclear energy will drop from 12% to 0%; Coal combustion decreased from 45.4% to 30%; gas increased from 32.4% to 50%. The "Household Energy Storage System Standard Testing and Verification Technology" (2018) set targets to reach 20GW and 5.5 GW for solar photovoltaic and wind power generation by 2025 However, the intermittent nature of renewable energy is easily affected by weather and time constraints. In order to reduce the impact on the grid and improve the stability of the grid, "energy storage system" is one of the solutions. Due to the rapid development of global energy storage systems in recent years, related fire safety requirements, currently only the International Fire Code (IFC), the US National Fire Protection Association (NFPA), Japan and China have relatively complete regulations. Even in Germany and Australia, which have developed rapidly in the energy storage market in recent years, their fire protection standards are still being developed. As the capacity density and capacity of energy storage devices continue to increase, fire prevention has gradually become a hidden concern. Coupled with multiple fire accidents in South Korea, the United States and mainland China, it highlights that the current international fire safety requirements for energy storage systems are still not perfect. This study the compilation and discussion of the fire safety related regulations, specifications and testing standards of the US building energy storage system will be used as a reference for the domestic building energy storage system fire safety regulations.
2. Research methods
The entire research framework is roughly divided into several stages. First, collect energy storage system fire cases and analysis to understand the fire safety
requirements of energy storage systems, and collect the development of relevant international regulations on fire safety of energy storage systems in the United States, as well as fire safety test methods and requirements. Conduct the experiment center to evaluate the feasibility of the energy storage system fire test method and make recommendations on the fire safety of the energy storage system.
3. Important findings
1. The battery designer and manufacturer of the energy storage system shall improve the prevention and measures against the internal and external induced thermal runaway and thermal runaway diffusion.
2. The capacity of the rack/group of the energy storage system should be limited to the maximum capacity and maximum rated capacity according to the battery type. If the large-scale fire resistance test is passed, the capacity should be relaxed according to the test.
3. The distance between the rack and the rack of the energy storage system, and the distance between the rack and the wall should be at least 0.9 m, and the energy storage system should be separated separately and be more than 15 m away from the public area.
4. The energy storage system shall be divided independently and shall have a fire protection aging period of at least 1 hour according to the construction purpose, and shall be equipped with smoke detection and gas detectors, and an approved sprinkler system.
5. Outdoor installations should be at least 3 m away from public roads, buildings, combustibles or dangerous goods, and containers should be separated by at least 6 m or more than 1 hour by firewall.
6. Should have emergency response plans and training, and establish correct operation and maintenance.
7. When a fire is extinguished, the rack/group or battery should be removed immediately to avoid re-ignition.
第一章 緒論
第 一 節 研 究 緣 起 與 目 的
綠能科技產業創新推動方案(2017) 能源轉型政策方針，透過太陽光電與風 力大量建置達成，再生能源在 2016 年至 2025 年間從 5%上升至 20%;核能從 12% 下降至 0%;燃煤從 45.4%下降至 30%;燃氣從 32.4%上升至 50%，「家庭用儲能系 統標準檢測驗證技術」(2018) 設定目標於 2025 年太陽光電及風力發電分別達 到 20GW 及 5.5 GW 的總發電量，但再生能源間歇性特性，容易受到天候及時間 的限制與影響，為了降低對電網的衝擊與提升電網穩定度，「儲能系統」為解決 方法之一。 樂艷飛(2019) 在 2018 年韓國共發生 16 起儲能系統的起火案例，2019 年 1 月份又發生 4 起起火案例。韓國是儲能電池的製造強國，都能發生這麼多的儲能 系統的起火案例，說明儲能電池的安全性還是比較嚴重的，需要專家們去努力提 高它的安全性，也需要標準部門制定更安全和更完備的標準。因為儲能系統它一 旦起火之後，它的火勢蔓延非常迅速，而且很難被撲滅，會造成很大的經濟損失 和人員傷害，另外對消防的救援也帶來非常巨大的挑戰。 王釿鋊等(2019) 對於儲能系統的安全標準，對於產品標準、操作規定、管 理規則、防護措施等大部分國家都沒有明確的規範。從韓國推動儲能系統的經驗 裡可知，儘速訂定儲能系統規範不僅保障使用安全，也讓廠商生產時有所規範， 有助於產品與國際接軌。 張崇學(2019)針對儲能系統在國際間主要的消防法規要求，目前由於國際消 防規範 IFC 及美國 NFPA 標準具備國際影響力及國際規範通用性，國內在發展儲 能系統時，可考量優先參考其規範做為消防安全系統或建置時的要求依據。而近 年儲能系統發展迅速，現有消防標準對於大型電網儲能系統的適用性略顯不足， 國際消防協會及美國消防會 NFPA 為解決此問題，也正在研擬更完善的標準，新由於全球儲能系統近年快速發展，相關防火安全的要求，目前只有國際消防 協 會 International Fire Code (IFC) 、 美 國 National Fire Protection Association (NFPA)、日本及中國有較完整之規定。即便近年在儲能市場發展迅 速的德國及澳洲，其防火標準也仍在研擬當中。而儲能裝置的容量密度及容量不 斷增加，防火問題逐漸成為隱憂，再加上韓國、美國及中國大陸發生多起火災事 故，突顯目前國際對於儲能系統的防火安全要求仍未完善，本研究將以美國建築 儲能系統之防火安全相關法規、規範及檢測標準規定之整理與探討，以作為國內 建築儲能系統防火安全規定參考。
第 二 節 研 究 方 法 與 步 驟
整個研究架構大致分為數個階段，首先進行蒐集儲能系統火災案例及分析， 以瞭解儲能系統防火安全需求，並蒐集美國儲能系統防火安全國際相關規定發展， 以及防火安全測試方法與要求，進行實驗中心進行儲能系統防火試驗法可行性評 估與儲能系統防火安全建議，本研究流程如圖 1-1。本研究執行進度及預期完成之工作項目如下： 表 1-1 研究進度及預期完成之工作項目表 月次 工作項目 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 備註 蒐集儲能系統火災 案例及分析 ■ ■ 蒐集美國儲能系統 防火安全國際相關 規定發展 ■ ■ ■ ■ ■ 蒐集美國儲能系統 防火安全測試方法 與要求 ■ ■ ■ ■ ■ 儲能系統防火安全 建議 ■ ■ 結案報告整理 ■ ■ 預定進度(累積數) ％ 5 10 15 25 35 50 65 80 95 100 資料來源：本研究整理
第二章 儲能系統
綠能科技產業創新推動方案(2017)能源轉型政策方針，透過太陽光電與風 力大量建置達成，再生能源在 2016 年至 2025 年間從 5%上升至 20%;核能 從 12%下降至 0%;燃煤從 45.4%下降至 30%;燃氣從 32.4%上升至 50%。設定 目標於 2025 年達到再生能源發電量佔全國總發電量的 20%，其中太陽光電及風 力發電分別達到 20GW 及 5.5 GW 的總發電量。 在大規模的再生能源發電系統建置環節中，對於儲能系統的需求及相對應的 技術正在被積極的評估，其中主要包含 2 個重要考量因素，ㄧ是基於再生能源 的發電不穩定特性，若透過儲能系統可調節用電高峰及發電高峰時段不匹配情形， 使得再生能源發電的利用率有效提高，並可避免棄電情形或降低傳統高峰負載， 二是考量再生能源發電併入現有電網時對電網的衝擊，可透過儲能系統的建置配 合再生能源發電系統，作為再生能源發電併入現有電力輸配系統網路之前作為緩 衝，避免再生能源的發電特性對現有輸配電網造成衝擊而危害電網。第 一 節 儲 能 系 統 定 義
本研究主要以為建築物或設施提供電力的儲能系統，這些系統用於提供備用 電源或緊急電源、不斷電系統、減負載、負載分配或類似功能。因此，依美國住 宅法規(International Residential Code)及美國防火法規（International Fire Code）電池系統，固定儲存（BATTERY SYSTEM, STATIONARY STORAGE）定義： 一種可充電的儲能系統，由電化學蓄電池、電池充電器，控制器和相關的電氣設 備組成，旨在為建築物提供電能。該系統通常用於提供備用或緊急電源、不斷電 源系統、減負載，負載分配或類似功能，如圖 2-1 電力事業內的電力能源儲存。圖 2-1 電力事業內的電力能源儲存 陳世芳（2018），電化學儲能俗稱電池，存在於我們日常生活周遭，已經是 一個生活必需品。它雖然小到不起眼，但是卻無所不在，新一代的智慧電力系統 當中，電力級儲能也是無所不在，圖 2-2 發電端使用儲能系統可以讓再生能源的 輸出平滑化；調整電網頻率；提供功率（容量）補償能力。輸供配電端使用儲能 系統，好處是提供備轉容量；穩定頻率與電壓；強韌電網；故障備援；電力輔助 服務（Ancillary Service）等。在台電的圖片裡，原來的輸配電路上，都可以 加掛能源儲存系統(Energy Storage System, ESS)，這樣的設計，巧妙地把儲能 融合在電網系統裡面，分散式使用儲能系統，有助於建構一個強韌的電網系統。
第 二 節 儲 能 系 統 火 災 案 例
Andrew(2017)，Kahuku, Hawaii: August 2011，12,000 鉛酸電池•火燒了 幾天，嘗試用乾粉滅火，但效果有限，為不按危險等級設計的建築物。Franklin, Wisconsin: August, 2016，裝運貨櫃中正在建造的電池儲能系統發生火災，因 為鋰設施工作人員建議不要使用水，20 多個部門做出回應，火災僅限於貨櫃。 Hearne(2014)，2012 年卡胡庫風能儲存場電池室火災，卡胡庫風場一年發生 兩次火災，設施受到重大損壞，2013 年華盛頓安吉利斯港 Landing 廣場儲藏電 池火災，現場應急人員不知道滅火的最佳方法，被認為熄滅 1 週後再被點燃。 Adam Barowy（2019），三菱綜合材料株式會社（日本，2011 年）– 2 MW 鈉硫系統，熱失控；卡胡庫風電場（美國，2012 年）– 15 MW，高級鉛酸電池； The Landing Mall（美國，2013 年）–一個購物中心的 50 kW 鋰離子 ESS 系統， 熱失控；波音 787 Dreamliner（美國，2013 年）–鋰離子電池，熱失控；Engie Electrabel（比利時，2017 年）– 20 MW 鋰離子設備，熱失控。 每日頭條(2019)，自 2017 年起韓國已陸續發生儲能系統著火事件超 25 起， 尤其是在與太陽能、風力等再生能源聯繫的儲能系統火災共發生了 18 起。2018 年 7 月 2 日，韓國全羅南道靈岩郡金井面火城山靈岩風力發電園區內 ESS 儲能設 備發生重大火災事故，造成 706 ㎡規模電池建築和 3500 塊以上鋰電池全部燒毀。 該儲能設備規模為電池容量 12 MWh、PCS(儲能變流器)4MW，由大名 GEC 招標， 某公司以總承包方式承接工程，於 2015 年安裝。電池使用該公司的鋰電池。 在本次火災發生的前一個月，慶山變電站也發生過被推斷為電池過熱爆炸造 成火災，燒毀 100 多個頻率調整用(FR)電池和 16 ㎡大小的貨櫃內部。該變電站 ESS 儲能設備所使用的電池與靈岩 ESS 儲能設備所使用的電池都由同一企業生 產。 2019 年 9 月 24 日上午 11 點 29 分左右，韓國江原平昌郡美炭面平安里風力 發電站的儲能系統發生未知原因的火災，時隔 2 小時 30 分鐘後熄滅，據悉容量
為 40MW/21MWh 的儲能系統位於 414.3 ㎡的室內，2700 個鋰離子電池及一個 PCS 被燒毀，但沒有人員受傷。 陳 明 德 (2019)，2019 年 4 月, 美國亞利桑那州發生首起鋰電池儲能廠爆炸， 導致兩人重傷、四名消防人員受傷，該廠隸屬 APS 公司，採用 LG 化學 2MW 鋰三 元電池。至今雖未證實事故原因，但仍讓鋰電池安全性備受關注。韓國從 2017 年 8 月第一次儲能系統火災發生至 2010 年 1 月 0，已發生多達 27 起 ESS 火災事 故，其中有 17 起採用 LG 化學生產的鋰電池，9 起則是採用三星 SDI 的，而這兩 家皆使用鋰三元電池。 韓國是儲能電池的製造強國，都能發生這麼多的儲能系統的起火案例，說明 儲能電池的安全性需要去努力提高，也需要制定更安全和更完備的法規與標準。 因為儲能系統一旦起火之後，其火勢蔓延非常迅速，而且很難被撲滅，會造成很 大的經濟損失和人員傷害，另外對消防的救援也帶來非常巨大的挑戰。FM Global 的高級首席研究工程師 Benjamin Ditch 說：“這些系統在清潔能源方面具有廣 闊的前景，同時也帶來了新的保護挑戰”。
第 三 節 韓 國 儲 能 系 統 火 災 原 因
胡不斐(2019)，23 個起火電站中，電池製造商 LG 化學供應了 12 個，三星 SDI 有 8 個，另外 3 個由其它電池製造商供應。報告認為：部分電池中發現有缺 陷，但通過模擬試驗，沒有發現電池自身引起火災的電池內部短路現象。不過， 當製造存在缺陷的情況下，電池充放電幅度變大，充滿後仍然持續充電時，由於 電池內部短路火災發生可能性會變高。 如表 2-1，按照用途分為：太陽能連接、風能並網電站 17 起，峰值控制電站 4 起，頻率調整電站 2 起。充電完成後放電待機時間（充滿後休止時間）中發生火 災 14 起，充放電中 6 起，安裝、施工中 3 起。設置位置（山地 14 起，海岸 4 起，其他工廠等 5 起）；建築形態（組裝式面板 15 起，集裝箱 4 起，混凝土 4 起）；運營時間（1 年以下 16 起，1-2 年 3 起，2 年以上 4 起）。表 2-1 韓國儲能系統火災統計 序 號 地區 容量 (MWh) 用途 安裝 地形 建築型態 事故日期 使用時間 事故類型 1 全北高昌 1.46 風能 海邊 集裝箱 2017.08.02 - 安裝中(保管) 2 慶北慶山 8.6 頻率調整 山地 集裝箱 2018.05.02 1 年 10 個月 修理檢查中 3 全南靈巖 14 風能 山地 組建式面板 2018.06.02 2 年 5 個月 修理檢查中 4 全北群山 18.965 太陽能連接 海邊 組建式面板 2018.06.15 6 個月 充電後休止中 5 全南海南 2.99 太陽能連接 海邊 組建式面板 2018.07.12 7 個月 充電後休止中 6 慶南居昌 9.7 風能 山地 組建式面板 2018.07.21 1 年 7 個月 充電後休止中 7 世宗 18 峰值控制 廠區 組建式面板 2018.07.28 - 安裝中(施工) 8 江原道洞 5.989 太陽能連接 山地 組建式面板 2018.09.01 8 個月 充電後休止中 9 忠南泰安 6 太陽能連接 海邊 組建式面板 2018.09.07 - 安裝中(施工) 10 濟州 0.18 太陽能連接 商業區 混凝土 2018.09.14 4 年 充電中 11 京畿龍仁 17.7 頻率調整 廠區 集裝箱 2018.10.18 2 年 7 個月 修理檢查中 12 慶北永洲 3.66 太陽能連接 山地 組建式面板 2018.11.12 9 個月 充電後休止中 13 忠南天安 1.22 太陽能連接 山地 組建式面板 2018.11.12 11 個月 充電後休止中 14 慶北聞慶 4.16 太陽能連接 山地 組建式面板 2018.11.22 11 個月 充電後休止中 15 慶南居昌 1.331 太陽能連接 山地 組裝式 2018.11.22 7 個月 充電後休止中 16 忠北濟川 9.316 峰值控制 山地 組建式面板 2018.12.17 1 年 充電後休止中 17 江源三陟 2.662 太陽能連接 山地 地下混凝土 2018.12.22 1 年 充電後休止中 18 慶南梁山 3.289 峰值控制 廠區 混凝土 2019.01.14 10 個月 充電後休止中 19 全羅南道 5.22 太陽能連接 山地 組建式面板 2019.01.14 1 年 2 個月 充電中 20 全北江秀 2.496 太陽能連接 山地 集裝箱 2019.01.15 9 個月 充電後休止中 21 蔚山 46.757 峰值控制 廠區 混凝土 2019.01.21 7 個月 充電後休止中 22 慶北漆谷 3.66 太陽能連接 山地 組建式面板 2019.05.04 2 年 3 個月 充電後休止中 23 全北江秀 1.027 太陽能連接 山地 組建式面板 2019.05.26 1 年 充電後休止中 資料來源：「韓國儲能：暴沖與妥協」及「국내 ESS 화재 현황 및 안전관리 기준」 由於大部分火災現場全部燒毀， 查明原因有其困難之處，調查委通過資料 分析、企業面談、現場走訪等獲取證據，並以此為基礎將 23 起火災進行分類， 與外界專家展開深度探討，對相關資訊進行了分析整理和整合。並且探討了電池、 PCS 製造、儲能電站設計、安裝、施工上的問題點，所有的應用和電子環境因素， 以及所有直接或間接的火災可能性。總結起來，有四種因素被推測為火災原因： （1）電池系統缺陷
多數的事故可以確定為是由於使用了同一工廠相似時期內生產的電池。因此， 為確認電池生產過程中的缺陷，對電池進行了解體分析。結果表明，一家公司的 一部分電池中存在極片折疊、切割不良、活性材料塗層不良等製造缺陷。 資料來源：「韓國儲能：暴沖與妥協」 圖 2-3 收集與事故現場電池所屬廠家、生產批次相同的電池進行解體分析 因此，模擬製作了極片折疊和切割不良的電池並進行了 180 次以上的充放 電測試，但並未發生能夠導致起火的電池內部短路(斷裂：由於電池兩端接觸（短 路等），電流過大的現象)問題。 外部短路：為確定電池安全性進行了電池系統短路試驗。結果表明，在機 架式短路試驗中，2 家公司的電池保護裝置的直流接觸器發生爆炸和熔接。 物性分析等：電池構成物質分析，確定控制電池之間的電壓和溫度偏差的 BMS（Battery Management System：控制電池的性能和安全的 S/W 和 H/W 的統稱） 是否正常動作，在試驗中沒有發現電池完全充電後繼續充電會引起火災。 （2）針對電衝擊的保護體系不周；
路現象的結果表明，電池機架保護裝置內的直流接觸器（DC Contactor）爆炸。 母線損壞後，導致電池機架保護裝置附件的二次短路事故發生，多處同時出 現火災。 PCS 交流側接地：變流器（PCS）內部的交流電流篩檢程式（reactor）碳化， 模擬接地事故的試驗，結果電池側發生電衝擊。 反復實施同一試驗，結果表明，當電池機架保護裝置內的直流接觸器絕緣性 能降低時，可能發生火災。 PCS 附件斷裂：假設 PCS 內部的轉換元件被燒毀，PCS 內部的直流交流側兩 端斷裂發生故障。實證結果表明，由 PCS 流入系統和電池側的對電流現象雖得以 確定，但 PCS 的阻斷器作用後並不會導致火災。 電磁抗擾性：為驗證 PCS 的電磁波釋放是否會導致電池系統的不正常運轉進 行了試驗，結果表明多數產品都超過了國際基準，3 家公司的電池都具備充分的 抗擾性。 資料來源：「韓國儲能：暴沖與妥協」 圖 2-4 電池保護裝置內零件損壞
水分、粉塵試驗：以在空調機周邊發現的熔融痕跡為證據，在電池系統中類 比了水分、粉塵、鹽水的環境，試驗絕緣性能是否可能降低。結果表明，特定公 司的電池內模組絕緣性能下降並發生火災。 溫度偏差試驗等：對牆面、通道的溫度偏差導致電池模組內溫度偏差的事例 （溫度偏差試驗），以及周邊區域的閃電通過岩層地面進入電池室影響電池保護 裝置的事例進行探討後，認為不會導致火災。 資料來源：「韓國儲能：暴沖與妥協」 圖 2-5 水分、粉塵試驗 （4）綜合管理體系欠缺 在事故現場調查、企業面談調查以及試驗實證過程中，發現儲能電站的設計 和運營未能將電池和 PCS 等部件統合為一，從系統的層面上進行管理和保護。 BMS、PMS、EMS 間資訊共用體系不完備，PCS 和電池間的保護體系作用順序 欠妥，PCS 故障修理後不確認電池有無異常即再次啟動系統，交流和直流側接地 感知裝置間衝突等問題可證明各現場多數的綜合管理體系欠缺。 儲能系統火災事故原因調查結論： （1） 電池保護系統欠缺 電的危害因素中，由於接地或短路導致的電衝擊（過電壓/過電流）流入 電池系統時，作為電池保護體系的機架保險絲未能快速阻斷短路電流，因 此，絕緣性能降低的直流接觸器爆炸，電池保護裝置內的母線和電池保護 裝置外殼中發生二次短路事故，電池內可能發生火災。 （2） 運營環境管理欠缺
安裝在山地或海邊的儲能裝置，由於日夜溫差太大，結露嚴重並且容易暴 露在大量灰塵中。在這種惡劣環境下，運營電池模組內露水反復生成又乾 燥，灰塵被大量吸附。因此，電池和模組外殼間的接地部分絕緣損壞，會 引起火災。一方面，一部分公司的電池模組使用了冷卻風扇，但冷卻風扇 可能成為水分和灰塵的移動途徑。 （3） 安裝不注意 電池保管不良，錯誤接線等儲能系統安裝疏忽會引起火災。 （4） 綜合保護管理體系欠缺
製造主體未能與其他電能管理系統（Energy Management System，EMS）、
電力管理系統(Power Management System, PMS)、電池管理系統（Battery Management System，BMS）和系統集成企業有機聯合運營等。針對事故預 防、火情擴散防止、事故原因調查，儲能電站缺乏綜合的系統進行設計和 保護是問題的原因。 （5） 部分電池中發現有缺陷，為此進行了模擬試驗，但沒有發現電池自身引起 火災的電池內部短路現象。但是，當製造存在缺陷的情況下，電池充放電 幅度很大，充滿後仍然持續充電時，因電池內部短路火災發生可能性會變 高。 최명영(2019)，儲能系統的主要安全管理國際標準包括 FM 制定 FMDS 0533 、 美國 ICC 以及 NFPA 制定 NFPA 855。在韓國 2018 KFS 412「鋰離子電池儲能系統 （ESS）防火安全指引」完成了頒布,並完成了修訂步驟,包括防止電力儲能設備 火災擴散的內容在電氣設備技術標準的判斷標準中,並準備制定與國家理工學院 的電能存儲 (ESS) 系統相關的 KS 標準。
火災保險協會制定的 KFS 標準主要參考 NFPA 855 和 FDS 0533，電氣設備科 技標準主要參照 IFC 2018 制定。其中 KFS 和 NFP A855，FMDS 0533 和 IFC 2018 所包含的主要內容以 KFS 412 為基準進行了比較。各標準的特徵不同，特別是 FMDS 0533 中，部分細節內容是根據製造公司手册進行的，很難明確的比較，以 KFS 412 主要內容為主進行比較，要注意這一比較並不是標準之間的優劣。
表 2-2 ESS 相關的標準的主要內容比較 (評估標準與 KFS 相似：沒有相應的內容) 主要內容 KFS 412 NFPA 855(1) FMDS 0533 IFC 2018 防火區劃 1hr ○ ○ ○ 鋰離子 標準適用對象 20 kWh ↑ ○ - ○ 機架/組 容量限制 250 kWh ↓ ○ - 50 kWh ↓ 最大額定容量限制 600 kWh ↓ ○ - ○ 放寬容量限制 實大尺度耐火試驗（2） ， 滿足時 實大尺度耐火試驗及降 低風險的分析（3） ，滿足 時 - 實大尺度耐火試驗及降 低風險分析，滿足時 機架和牆距離 0.9m 以上 ○ - ○ 位置 方便消防隊進入 ○ - ○ 通風設備 為了不超過燃燒下限的 25%，以地板面積為基準 5.1L/sec/㎡ ○ - ○ 撒水密度 12.2 LPM/㎡ (通過實大規模火災試驗 進行驗證時變更) ○ ○ 依照 NFPA 13 安裝 撒水頭防護面積 - 230 ㎡ ↓ 230 ㎡ ↓ 依照 NFPA 13 安裝 氣體系統/滅火設備 在證明其有效性時得到 認可（通過大尺度的防火 試驗進行驗證） ○ - 無法使用撒水頭的情況 下，請查看替代方案 防撞保護 車輛防撞措施 ○ - ○ 分離 距公共道路，危險物品等 3m 或更多 ○ - 距離公共道路，危險物 品等 1.5m 以上 空間材料 不可燃金屬和防水功能 - ○ - 空間間距 1 小時防火牆或相距超過 6m - ○ - 資料來源：「국내 ESS 화재 현황 및 안전관리 기준」 註： （1） NFPA 855 第二份報告草案（2019 年 2 月 18 日） （2） UL 9540A 的大尺度火災測試 （3） Harzadous 減輕分析 機架之間的 0.9m 以上要求間隔，韓國製造業中如造紙行業或水泥行業等，
為了减少電費，往往需要在現有場地上建立鋰離子電池 ESS。在這種情況下，很 難滿足海外標準所要求的間隔條件。在這種情況下，如果根據 UL9540A 進行大尺 度火災試驗等驗證安全性的情况下，可以放寬容量限制。但是，在韓國，通過實 際大尺度火災試驗，需要對容量限制以及灑水器等滅火設備的有效性等進行驗證， 但這並不容易。根據 2018 年 12 月制定的“電氣設備技術標準（ESS）火災擴散 預防”的判斷標準修訂（部分）說明資料，韓國沒有可執行的試驗機構。
韓國防火安全標準(KOREA FIRE SAFETY STANDARDS，KFS)，制定與 ESS 安全 相關的 KFS 412（鋰離子電池儲能系統（ESS）防火安全指引）中，ESS 的安裝、 維護及檢查時應注意把事項整理如下 1. 防火區劃 - 安裝 ESS 的空間的樓板、天花板、牆壁等應具有至少 1 小時的防火時效 - 如有貫穿 ESS 空間的設備，則開口應採用與防火區劃結構相當於或高 1 小時 防火時效。 2. 容量和距離 - 每個機架配置最大容量應不超過 250 kWh -每個 ESS 機架之間和牆壁間隔應大於 0.9 m - ESS 與公共區域間隔至少 15 m 以上
資料來源：「국내 ESS 화재 현황 및 안전관리 기준」 圖 2-6 容量與間隔距離概要 3. 通風裝置 - 機械通風設施以空間建築面積為基準，應大於 5.1L/sec/㎡ - 通風系統必須連續運作由氣體探測器啟動,並由接收器監控 - 氣體感測設施偵測空間中的燃燒氣體濃度超過燃燒限值(LFL)的 25%時，啟動 機械通風設備。 - 氣體感測設施應確保超過兩小時的備用電源 4.水系滅火設備 - 安 裝 撒 水 器 滅 火 設 備 的 情 况 下 ， 最 低 放 射 性 密 度 應 大 於 12.2LPM/ ㎡ （12.2m/min）（雖然安裝了氣體系統滅火設備，但是滅火失敗的事例被確認， 復燃時很難應對，所以建議儘量安裝水系滅火設備） 5.室外安裝的其他注意事項
- 如果將 ESS 安裝在室外集裝箱等內部，則應與生產設施、公共道路、建築物、 可燃物、危險品及其他類似用途間隔 3m 以上。 - 如果將 ESS 安裝在室外集裝箱等內部，則其尺寸不應超過 16.2m×2.4m×2.9m（高 度）。 - ESS 安裝在大量集裝箱或類似容器內，其間隔距離應大於 6m，如果間隔在 6m 以內，應以 1 小時以上的防火牆分隔。 - ESS 安裝在室外應管理以防止 3m 內的植被或可燃物延燒 - 如果安裝在室外集裝箱內或類似的東西,室外集裝箱或類似容器的材料必須是 不燃的鐵或金屬，以便易於釋放熱量到外部，並具防水性。 資料來源：「국내 ESS 화재 현황 및 안전관리 기준」 圖 2-7 戶外安裝時需要考慮的事項 6.緊急計畫的製定及訓練 - ESS 所有人或指定的代表將製定和培訓 ESS 設備負責人員和緊急應對工作人員， 在現場有效應對可能發生的危險的緊急計畫，以應對可能發生的危險。
- 緊急行動計劃安全停止程序，應包括斷電程序、設備和設備的停機程序，以減 少在緊急情況下起火和電擊的風險，以及在緊急情況終止後的安全啟動程序。
7.操作與維護
- ESS 必須按照製造商的說明或操作和維護文件進行操作和維護。
- 請勿在安裝 ESS 的空間中存放任何與 ESS 無關的可燃材料，並且應與 ESS 相關的可燃材料應距離 0.9 m 以上。
- ESS 設施應按照製造商的說明進行維護。
第 四 節 儲 能 系 統 火 災 危 害 機 理
Energy Storage Association(2019)，所有儲能應用必須考慮一系列潛在的風 險，特別是: • 操作危險 • 火災和熱事件(產生和反應) • 極端天氣和天然災害，如地震、風暴和野火 • 網路安全風險 牛棟華等（2019），導致儲能電站起火的原因很多，包括電池、電氣設備 本身的質量問題，也包括系統保護措施設計的不完備，儲能變流器(PCS)、電池 管理系統(BMS)以及能源管理系統(EMS)等系統之間的控制及保護功能協調性差 等，施工過程中出現的品質問題、運作和維護管理不當等均也是儲能電站起火的 原因。 AFT（2019），利用鋰離子（Li-ion）電池的儲能系統（ESS）是風力發電 場，太陽能場和削峰設施的主要基礎設施，鋰離子電池的使用可能會產生潛在的 火災危害，即熱失控。熱失控，B型火災（燃燒汽油、油、油漆、天然氣、丙烷 以及其他可燃燒液體、氣體和油脂的火），不同於電氣火災或C型火災。這種火
災危害是熱流熱傳問題，因為與電源的斷開連接允許更大的電流，因此不能消除 發生火災的風險。由於熱失控，損壞的電池可能會在數小時或數天後重燃。由於 B型火災的濃度水平不同於C型火災，僅化學抑製作用不會阻止熱失控。 抑制將 撲滅ESS容器或建築物內的C型火災，並阻止電解液放出電池而產生的電解液失火， 但不會阻止熱失控。
資料來源：Off-gas Detection for Lithium-ion Battery Systems
圖 2-8 熱失控循環與對策 熱失控過程與對策 1. 電池濫用 •熱、電或物理濫用 •導致電池損壞 •預防區域:BMS是防止電池濫用的主要防禦手段 2. 排氣 •由於電池內部壓力上升而導致電池盒排氣的事件 •如果不加以控制，熱釋放將繼續朝著熱失控方向發展
•預防區域：檢測電池中的廢氣可提供足够的時間防止熱失控 3. 煙 •災難性故障即將發生 •可能很快導致點火 •安全殼區域：電池已進入熱失控狀態，必須控制故障。 4. 火 •熱失控得到充分發展 •故障的可能性急劇增長 •圍阻區域：電池進入熱失控狀態，必須控制故障。 R. Thomas 等(2016)，鋰離子電池捲入完全燃燒的火焰所需的時間約為 5 分 鐘。牛棟華等（2019），整理熱失控現象、原因及防範措施。 一、何為熱失控及熱失控擴散 1、熱失控 電化學電池以不可控制的方式通過自加熱升高其溫度的事故即為熱失控。熱 失控的產生源於電芯內部熱量階段性變化，其與電芯安全關係如圖 2-9 所示
資料來源：「儲能電池熱失控和熱失控擴散發生機理」 圖 2-9 熱失控判斷流程 A1 階段：電芯在使用過程中首先會產生初始能量熱擾動，引起熱擾動的能量來 源包括電芯內部正常的鋰離子充放電化學反應、內部非正常化學反應 （如不符合額定電壓、電流、溫度或有熱傳導的濫用造成的內部劇烈 反應，外部和內部機械結構損傷最終造成的內部劇烈反應等），從而 導致電芯產生熱量。與此同時，電芯會向外進行熱量散逸，同時部分 化學反應會伴隨吸熱；
A2 階段：當電芯散逸的熱量+反應消耗的熱量≥電芯獲得的熱量時，電芯是安全 的； A3 階段：當電芯散逸的熱量+反應消耗的熱量＜電芯獲得的熱量時，電芯產生溫 升 ΔT。如果 ΔT 沒有帶來電芯內部新的放熱反應，則電芯是安全的； A4 階段：如有新的放熱反應（如 SEI 膜的分解放熱、電解液的分解放熱、氟化 物粘結劑的分解放熱、電解液分解放熱、正極活性材料分解放熱、過 充電時沉積出的金屬鋰與電解液發生反應放熱、金屬鋰與粘結劑的反 應放熱、可燃物質的燃燒等），當這些反應放熱所帶來的電芯內部反 應速度不可控時，電芯溫度上升將不可控，便會引起 A5 階段中我們常 規所定義的熱失控，如圖 2-9 各儲能相關標準中規定的電芯內部放熱 反應引起不可控溫升的現象。 電芯在使用後的狀態描述可分為未失效和失效兩種狀態。未失效即為電芯還 可以在滿足使用條件下繼續使用，而失效狀態則表明電芯不再適於繼續使用。失 效的狀態描述又可分為安全狀態和非安全狀態兩種：安全狀態僅表現為電芯的容 量衰減異常、內阻變化異常等；而非安全狀態一般指電芯對外將產生不可控的能 量釋放。 當電芯發生熱失控時，其能量釋放、有毒有害物質釋放的不可控即被定義為 起火、爆炸，此時即可判定電芯發生了安全事故。 2、熱失控擴散 熱失控電池產生的熱量高於它可以消散的熱量時，熱量進一步積累，可能導 致火災，爆炸和氣體釋放。如果電池系統中，由於一個電芯產生熱失控而引發其 他電芯熱失控，即為熱失控擴散。 二、熱失控及熱失控擴散產生的原因
1、熱失控的引發原因 在電芯的實際使用過程中，其材料可逆容量、SEI 阻抗、電解液組分、結構 件物理指標等是一個動態變化過程，直接影響電芯充放電曲線、內阻等動態變化。 如果電芯的實際使用條件（如溫度限值、電壓限值、電流值等）沒有動態調整與 之匹配，從而造成電芯內部結構加速損傷以及引發部分關鍵原材料加速失效的情 況，稱之為電芯濫用。濫用經常會最終導致電芯安全失效，即熱失控。 熱失控現象的產生原因可以分為兩類：內因和外因。內因主要指在電池設計 及製造過程中產生的原因；外因主要指在電池運輸、安裝及運行維護過程中由於 人員、外部條件等導致的原因。分類概括如下 表 2-3 熱失控現象的產生原因 內部因素 外部因素 老化、內部能量劇烈釋放 意外事故引發機械結構損傷 即化等導致內阻增大 鋰金屬沉積刺穿隔膜 內部雜質刺穿隔膜 隔膜缺陷破壞等 運輸過程中的交通事故 異物衝擊等 濫用使用條件 浸水、熱衝擊、振動、高溫環境及 灼燒 過充過放、過壓欠壓、外短路等 資料來源：「儲能電池熱失控和熱失控擴散發生機理」 2、熱失控擴散的引發原因 電池系統發生熱失控擴散最直接的誘因，包括發生熱失控的電芯對其周圍其 他電芯的能量傳導（包括熱能、電能、機械能等）以及噴出物起火等。 (1)能量傳導
熱能傳導：當電池發生熱失控時，通過電池正面接觸而產生的側向加熱非常劇烈， 導致被加熱電池內部在厚度方向上溫度梯度變大，由於電池前端面溫度達到熱失 控觸發溫度進而產生熱失控擴散。
資料來源：「SUN Jinhua First Published a Review of Lithium Ion Batteries」 「儲能電池熱失控和熱失控擴散發生機理」 圖 2-10 熱失控擴散模型 電能傳導：某一電芯單體熱失控與隔膜大面積收縮造成內部短路，這兩者可互為 因果關係，最終都會造成發生熱失控的電芯能量迅速下降。在電池模 組並聯單元中，其他電芯會向發生熱失控的電芯放電，導致發生熱失 控的電芯溫度升高更多，同時，靠近已發生熱失控單體的電芯將比遠 端電芯以更大功率放電，導致其溫度迅速升高，從而促進熱失控的擴 散。 機械能傳導：某一電芯單體發生熱失控，可能會對模組機械結構造成影響，或者 其發生爆炸造成瞬間大量能量釋放，對其周邊的電芯也會造成一定程 度的機械損傷，而這些機械損傷將增加其周邊電芯發生失效的風險， 嚴重時可直接導致其周邊電芯發生熱失控。
(2)噴出物起火 電池發生熱失控時會噴出高溫氣體和顆粒混合物，這些氣體具有可燃性， 極易發生火災，這些高溫噴出物以及噴出物燃燒產生的火焰會加熱周圍電池，從 而加速熱失控擴散的進程。 在電池系統發生熱失控擴散過程中，上述多種誘因通常會同時發生作用。 三、熱失控及熱失控擴散的防範措施 1、熱失控的防範措施 根據鋰離子電池主要原材料不同，在發生熱失控時會有不同的起始溫度以及 不同的能量釋放速度。引起熱失控的因素無非內部因素和外部因素的交互作用， 濫用、機械損傷等外部因素最終也是通過誘發電芯內部材料劇烈反應而導致熱失 控。 因此，有關熱失控的防範措施，需從誘發熱失控的原因著手，通過分析上述 內部、外部誘發因素，可以從推遲鋰離子電芯失效速度以及降低熱失控破壞力方 面進行考慮，並從電芯獲取能量來源、原材料、結構設計等方面著手。例如 (1)提升電能給予準確度（如動態並且準確適宜的充放電方案和電壓、電流、溫 度監控方案）、以及提高材料穩定性等，可以通過活性材料體相摻雜研究、 組分及燒結工藝研究、殼核結構研究等； (2)降低副反應發生程度，可通過降低活性材料比表面積等，增加陶瓷塗層提高 隔膜熱穩定性，在正負極多孔電極配比內增加溫度影響內阻材料（如 PTC 或 NTC 材料），改變電解液組分以提高穩定性及可靠性（如開發固態電解質、 增加功能添加劑等）；
(3)另外，當熱失控發生時，還可以通過增加類似圓柱 18650 電池 CID、VENT 以 及方型鋁殼電池防爆閥等，以及 OSD 阻斷設計來控制電芯能量釋放方向性和 及時性，進而降低破壞力。 熱失控是非常嚴重的電芯失效模式之一，將可能直接對人身安全及財產安全 造成損害。很多科研機構及電池企業都致力於通過技術手段規避電芯發生熱失控 的誘因，並且通過開發穩定可靠的觸發方法來檢測發生熱失控時造成的危害程 度。 2、熱失控擴散的防範措施 針對熱失控擴散的防範措施，主要有 (1)設計合理並且可靠的熱交換策略，主要有液冷技術、風冷技術、吸熱相變材 料技術等，在電芯發生熱失控時，及時將該電芯散發出來的熱量導出模組或 系統。這些技術的選擇要考慮到電池系統有一定機械形變以及電氣損傷後的 可靠性； (2)根據電芯熱擴散係數，設計合理的電池間距，避免觸發熱失控電芯相鄰電芯 溫度的升高，降低因熱傳導導致的觸發熱失控的風險； (3)電路中增加電流限制功能元件，當部分迴路電流、電壓、溫度出現異常時可 快速、準確的切斷迴路電流，可有效避免電能傳導； (4)開發具有阻燃、降溫、滅火以及隔氧等功能的新材料； (5)設計可靠的能量以及有害物質（包括氣體、液體、固體等）定向及定量釋放 策略，並配合可承受一定機械應力的結構，避免高溫噴出物以及噴出物燃燒 產生的火焰對周圍電芯模組等產生影響。 David(2015)，鋰離子電池在大多數情況下是惰性的和無害的，但具有以下 特性，可能發展出危險的狀況：電壓、電弧閃光/爆炸電位、火災潛勢、排出氣
體的可燃性潛勢和排出氣體的毒性。 1.電壓
電網儲能中每串電池的電池單元數量可能比移動應用中的電池單元數量更 多，從而導致更高的直流電壓並需要採取其他預防措施。 在 100-1000 V DC 的 電壓範圍內，美國消防協會（NFPA）關於工作場所電氣安全的標準 NFPA 70E， 建立對不符合電工資格的工作者，被限制接近邊界在 1.0 m。 此邊界是為了防止那些無法避免危險的人進入裸露的導體的觸手可及之處。 為那些意識到危險的人員建立了額外的界限，以限制他們可以執行的任務。 NFPA 70E 將合格人員的接近限制邊界設定為 100 到 300 V DC 之間的裸露導 體“避免接觸”的距離，以及 300 到 1000 V DC 之間的裸露導體更精確的 0.3 m 。 此邊界是為了防止甚至符合電工資格的工作者在帶電電壓的帶電電路上或其周 圍工作。如果電路可以斷電，則需要執行“斷電上鎖/掛籤”（LOTO）程序以除 去危險電壓，施加上鎖以防止電壓恢復，並在工作前確認無電壓。為了使 LOTO 能夠在電池系統中使用，設計必須包括絕緣點，這些絕緣點使工作人員可以將電 池串分成每段小於 100 V DC 的段而不會暴露在危險電壓下。對於無法斷電的系 統，存在 LOTO 要求的例外情況，但這要求合格的工作者除具有足夠的個人防護 具（Personnel Protective Equipment ,PPE）和絕緣工具外，還必須具有較高 的工作許可。 2.電弧閃光/爆炸 高串電壓會同時影響衝擊和電弧閃光/爆炸的潛勢。電弧爆炸是由電弧的爆 炸性成分（例如，汽化的銅）引起的，並且在很大程度上取決於電弧中涉及的設 備和環境。 防止電弧閃光的常用控制措施包括增加正極和負極之間的距離，定 期維護以防止設備故障以及為電氣工作者提供電弧防護的個人防護具。 3.火災 熱失控是一種化學過程，其中電池的自熱超過冷卻速率，從而導致內部溫度 升高，熔化，釋放氣體/排氣，在某些情況下還可能引起燃燒或爆炸。 熱失控的 原因包括機械、電氣和熱濫用。 由於製造缺陷造成的內部短路； 以及隨著時間
的推移形成內部短路的金屬樹枝狀晶體的發展。 “反應性層次”的測量範圍為 0 至 7，如表 2-4 所示。熱失控中的反應性層次可能會根據化學、濃度、添加物、 電池設計、電池條件（例如其充電狀態（SOC）或健康狀況（SOH））和環境條件 而有非常大的變化。 在很高的反應性層次下，電池可以迅速產生熱量，足以著 火，破裂或爆炸。 鋰離子電池火災的控制可分為三類：濫用試驗、電池管理設計和緊急系統。 濫用試驗使有代表性的電池樣品暴露在最壞的環境條件下，期望在使用和可預見 的誤用過程中均會看到這種情況；從而建立安全操作的限制。存在許多濫用試驗 標準，每個標準都有不同的預期環境和使用條件。然後，設計人員通常通過應用 電池管理系統（BMS）對產品施加這些限制。 在 BMS 設計中，偵測和反應對違反環境或使用限制存在許多挑戰。當發生火 災時，緊急系統會使用警告、警報、滅火或其他反應機制來減少火災造成的損害 範圍。火警探測和制火系統用於許多固定系統，但當前有關其設計和安裝的生命 安全規定並不適用於鋰離子電池。電池組中電池間距的增加，使用不同的電氣配 置，有效的外部冷卻以及在某些塑料內的容納也已被證明可以防止熱失控的傳播， 從而減輕對緊急系統的需求。 4.排出氣體可燃性 氣體可以較低的反應性層次從電池中以熱失控方式排出。這些氣體包括二氧 化碳、一氧化碳、氫氣和甲烷，如果允許它們在封閉空間內達到臨界濃度，則火 花會引起爆炸。 5.排出氣體毒性 熱失控過程中排出的氣體在高濃度時可能有毒。 Ribiere 等根據鋰錳氧化物 電池的燃燒試驗評估毒性程度。 表 2-5 顯示了達到 50 m3 房間中的濃度所需的 估計電池能量（Wh），該能量在 60 分鐘後可能導致暴露超過不可逆低限效應（IET） 和第一致死低限效應（FLET）。 列出的氣體為氟化氫（HF）、一氧化碳（CO）、氮 氧化物（NO）、二氧化硫（SO2）和氯化氫（HCl）。 除了通過濫用試驗和 BMS 的 使用來防止熱失控之外，還可以通過充分的通風，出入控制和使用正壓通氣設備
來控制這種危害。 表 2-4 反應性層次及描述 反應性層次 描述 分級基準 0 沒有影響 沒有影響，功能性沒有損失 1 被動防護啟動 無缺陷； 無洩漏； 沒有排氣、著火或火焰； 沒 有破裂； 沒有爆炸； 沒有放熱反應或熱失控。 電池可逆損壞。 需要修理保護裝置。 2 缺陷/損壞 無洩漏；沒有排氣、著火或火焰； 沒有破裂； 沒有爆炸； 沒有放熱反應或熱失控。 電池不 可逆損壞。 需要維修。 3 洩漏量小於 50% 沒有排氣、著火或火焰； 沒有破裂；沒有爆炸。 重量損失小於電解質重量的 50%(電解質=溶劑+ 鹽類) 4 排氣量大於 50% 沒有著火或火焰； 沒有破裂；沒有爆炸。重量 損失大於電解質重量的 50%(電解質=溶劑+鹽 類) 5 著火或火焰 沒有破裂；沒有爆炸(即部件飛射)。 6 破裂 沒有爆炸，但活性物質的部件飛射。 7 爆炸 爆炸(即電池崩解)。
資料來源：Analyzing system safety in lithium-ion grid energy storage
表 2-5 估算的電池能量達到 NO、CO、HCl、SO2和 HF 有毒氣體的 IET 和 FLET
值（暴露時間為 60 分鐘，在 50 m3的房間內發生火災）
(Wh) HF CO NO SO2 HCl
IET 60 290 280 530 1320
FLET 110 1140 2080 4710 7880
1. 資料來源：Analyzing system safety in lithium-ion grid energy storage
除了可能單獨導致的危害外，這五個屬性還可能相互影響並使單獨設計的控 件不太有效甚至適得其反。美國聯邦航空總署（FAA）進行的實驗證明了一個示 例，其中對一批鋰離子電池的熱失控火勢進行了抑制，使排出的氣體在測試室內 積聚並爆炸。也許最引人注目的緊急事故例子是 2013 年一架波音 787 輔助動力 系統（APU）發生的火災。根據 NTSB 報告，已經在標準溫度和壓力下進行了實驗， 以證明單個電池的熱失控事件不會傳播到 APU 中的相鄰電池。事故發生後，在接 近工作範圍上限的溫度下重複了該實驗，這證明了傳播的可能性。當將這兩種條 件同時應用於 APU 時，無論是單純的機械濫用還是單純的高溫都沒有引起火災的 危險蔓延。設計、製造、測試、裝運、安裝、監督、法規、操作和環境等因素的 綜合考慮，可能導致所有類型的儲能系統發生實際事故。由於在這些領域中每個 領域所需要的控制的複雜性，鋰離子電池系統的安全性是一個複雜的問題。
第 五 節 儲 能 系 統 防 火
Andrew(2017) ，ESS 防火試驗設置兩個 ESS(Tesla PowerPack)，專為商 業安裝設計的 100 kWh 機組，模組化可以擴充為包括多個 100 kWh 單元以增加容 量，室外安裝通常放置在混凝土襯墊上，可以遠離建築物或鄰接，電池電量為
100％充電狀態（SOC），測試 2 次，1 次外部點火試驗另 1 次內部點火試驗，數
據收集：ESS 櫃體壓力、選擇燃燒產物的氣體採樣、機櫃內部和外部溫度、自由 燃燒無滅火。
資料來源：Fire Testing a Lithium Ion Battery Energy Storage System 圖 2-11 ESS 大尺度火災試驗配置 外部點火試驗 •開啟儀器 •點燃~400kW 丙烷燃燒器 •監測直到確認可聽到大約 20 個熱失控信號 •關閉燃燒器；允許 ESS 自由燃燒 •監視直到火勢燃燒自行耗盡或自行熄滅 •400 kW 燃燒器直接衝擊 ESS 機櫃外部能引起內部電池的熱失控 •35min 發煙 •45min 到達第一次可聽到的熱失控信號 •47min 到達第一次燃焰 •在大約 1 h，確認可聽到 20 個熱失控信號，燃燒器關閉 •在排氣口和 ESS 前門外觀測到火焰
•內部溫度高：大於 2000℉ •燃燒器另一側的外表面溫度非常低：150℉ •前門的外表面溫度：460℉ •測到 HF(超過 100ppm)及 CO(50) -在試驗期間，偵測到 HF 在 30min 達到最大值，並保持在 100ppm 以上 •未測到 CH4 •未觀察到劇烈的電池拋射體、爆炸或爆裂 •試驗後期：所有電池消耗完及內部電子設備損壞，無殘留電力
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-12 外部燃燒-開始加熱
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-14 典型燃燒狀況
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-15 壓縮機破裂
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING 圖 2-17 結束試驗狀況 內部點火試驗 •開啟儀器 •電力開啟加熱器燃料元件 •六（6）個 1/8 英寸直徑 25 W 燃料元件加熱器 •安裝在電池組電池內 •監測直到確認可聽到大約 20 個熱失控信號 •關閉加熱器； 允許 ESS 自由進展 •監測直到事件結束 •6 個加熱燃料元件同時加熱多個電池會導致熱失控 •熱失控沒有蔓延引爆器容器外 •13min 第一次可聽到的熱失控信號 •15min 發煙 •大約 40min，確認可聽到 20 個熱失控信號，關閉加熱器 •煙霧狀況在大約 40-45min 達到峰值，然後緩慢逸散，直到所有燃燒跡像在大 約 1h15min 處停止 •加熱器附近的溫度較高：大於 2000℉ •引爆器上方及下方的溫度較低：80-180℉ •外表面溫度低得多：60-70℉
•測到 HF(峰值 26ppm)、CO(超過 2000ppm)及 CH4
-在觀測到煙霧產生高峰期間，HF 在約 45min 達到峰值 -CO 在約 15 min 達到峰值
•沒有發現火焰、劇烈的電池拋射體、爆炸或爆裂 •試驗後期：引爆器損壞，剩餘電池功能正常
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-18 內部燃燒-開始加熱
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-20 高峰反應狀況
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-21 結束試驗狀況 基於此項目中兩次測試的結果 –顯著的（400 kW）外部火災需要長時間（60 min）曝火才能達到自持續的熱失 控 –相鄰電池上的多個（6）內部加熱元件未再引發劑器盒外部引起熱失控 –從排氣口和前門觀察到的火焰–應評估與可燃物的距離 –檢測到高位準的 HF –檢測到大量的 CO，HF 和 CH4 導致內部熱失控–評估室內安裝的通風
Benjamin(2019)，從單個電池模組到整個 ESS 機架（每個模組包含 16 個模 組）的所有測試規模，由磷酸鐵(LFP)電池組成的 ESS 系統的總體危害都較小。 在 撒布測試中最明顯地觀察到了這一點，在該測試中，單個撒水頭操作足以控制起 火原因，而相鄰機架中的模組沒有明顯參與。 在相同條件下，在涉及由鎳錳鈷 氧化物(NMC)電池組成的系統的測試中，火勢確實蔓延到了相鄰的機架，並且撒 水頭操作的次數代表需求面積大於 230 ㎡（2,500ft2 ）。 雖然機架的設計有效地防止了灑水噴水，但在測試條件下，撒水頭延遲或完 全阻止了火災蔓延到相鄰機架。 加上與附近可燃物的足夠空間，再加上機架之 間的隔熱層，可以進一步降低危害。 但是，可能缺少一種能夠在早期抑制火災 的防護系統、延長的火災持續時間、高用水量以及對周圍環境的破壞。 因此， 建議將保護指南，撒水系統設計和 ESS 安裝指南（例如，間隔距離）控制在可接 受的程度內。 下面總結了基於當前知識的最佳防護建議，使用 K 係數為 81 L/ min/ bar½ （5.6 gpm / psi½ ）或更高，標稱溫度為 74℃的撒水頭時，撒水頭系統提供的最 小排放密度為 12 mm / min（0.3 gpm / ft2 ） （165℉）溫度額定值和 RTI 為 27.6m½ s½ （50 ft½ s½ ）。 對於在 3.0 m（10 ft）到 7.6 m（25 ft）範圍內的天花 板高度，天花板結構的防火等級應至少為 1 小時。 應根據《 FM 全球財產損失 預防數據表 2-0》（DS 2-0）《自動撒水裝置安裝指南》（2014 年 1 月）安裝所 有天花板撒水裝置。防護建議如下： 1.對於經過測試的LFP系統： (1)如果沒有防火措施，則與ESS的任何部分之間的最小空間間隔應為：與不可燃 物體之間的距離為1.2 m（4 ft），與包括相鄰ESS機架在內的可燃物體之間 的距離為1.8 m（6 ft）。 (2)使用灑水裝置保護時，與ESS的任何部分之間的最小間隔是，與不可燃物體的 距離為0.9 m（3 ft），與可燃物體的距離為1.5 m（5 ft）。 灑水系統的
供水應設計成最小需求面積230㎡（2,500ft2 ），持續時間至少90分鐘。 (3)這些分隔距離基於具有83.6 kWh電容量的LFP系統，有關低電容量系統的指南， 請參閱表2-6。 2.對於經過測試的NMC系統： (1)如果沒有防火保護，則與ESS的任何部分之間的最小空間間隔應為：與不可燃 物體之間的距離為2.4 m（8ft），與包括相鄰ESS機架在內的可燃物體之間的 距離為4.0 m（13ft）。 (2)使用灑水裝置保護時，與ESS的任何部分之間的最小空間是與不可燃物體之間 的間隔為1.8 m（6 ft），與可燃物體之間的間隔為2.7 m（9 ft）。 灑水系 統的供水應針對ESS所在的整個房間設計，並且供水量應計算為45分鐘乘以相 鄰機架的數量（即，安裝的機架數量，使得水平間距較小） 超過建議的可燃 物體的空間間隔）。 (3)這些距離基於具有125 kWh電容量的NMC系統，有關低電容量系統的指南，請 參閱表2-6。 3.對於由多個機架組成的ESS，如果未提供灑水裝置保護，則應按照表2-7將每個 LFP或NMC機架作為可燃物分開。 4.其他保護指南可在報告主體的“建議”部分中找到，包括因測試具有較低能量 容量的LFP和NMC系統而導致的間隔距離。 建議在不提供灑水保護的情況下，進行大尺度的自由燃燒測試，以確定足夠 的空間分隔距離，以防止火勢蔓延到附近的可燃物或對非可燃物造成破壞。建議 進行大型撒水試驗，以確定足夠的空間分隔距離，以防止火勢蔓延到附近的可燃 物（不包括相鄰的ESS架子）或對非可燃物的損壞，以及灑水保護設計（包括排 放密度） /區域和供水時間。 實際上，在發生火災後，宜防火監視直到呈現所有可能損壞的含鋰離子電池 的ESS設備從該區域移走。 眾所周知，涉及鋰離子電池的火災會在初始事件發生 後的幾分鐘到幾天內重燃。 為了防止重燃，必須對電池進行充分的冷卻。 最後，
該項目沒有解決在ESS火災或獨立事件或消防戰術中可能發生的爆炸危險或任何 緩解措施。 表 2-6：ESS 與不燃和可燃物體之間的最小間隔距離建議值，前提是根據有灑水 保護裝置 ESS容量等級 不燃的 可燃的 LFP 31kW - - 83kW 0.9m(3ft) 1.5m(5ft) NMC 47kW - - 125kW 1.8m(6ft) 2.7m(9ft) -31 kWh LFP或47 kWh NMC系統未進行撒水測試
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems 表 2-7：在沒有防火措施的情況下，ESS 與不可燃和可燃物體之間的最小間距建 議 ESS容量等級 不燃的 可燃的 LFP 31kW <0.9m(<3ft) 1.2m(4ft) 83kW 1.2m(4ft) 1.8m(6ft) NMC 47kW 1.2m(4ft) 1.8m(6ft) 125kW 2.4m(8ft) 4.0m(13ft)
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-22 LFP（左）和 NMC（右）電池對濫用情況的響應示例
LFP電池散發出濃濃的白煙，有時需要外部引燃器點燃，而NMC電池產生的火花會 持續點燃排放氣體
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-23 NMC 模組的側向火蔓延側視圖
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems 圖 2-24 LFP（左）和 NMC（右）在接近峰值熱釋放率時的照片 火焰的角度取決於排出電池的排出氣體的動量。 二、中尺度火災試驗 使用NMC模組進行六模組防火測試。
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
接近點火時間（左），接近預期的撒水操作時間（中），峰值放熱率（右）。
在手動滅火之前(左)和測試後(右)
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
接近點火時間（左），接近預期的撒水操作時間（中），熱釋放率峰值（右）
NMC火災衰減階段（左），所有模組的燒盡（中間）和後期測試（右）的照片
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
三、大尺度火災試驗
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-28 NMC 模組的全面自由燃燒測試設置示例
模擬架位於ESS架的兩側，以測量對相鄰設備的暴露危險，代表性結構牆位 於2.7m（9ft）的間隔內，以測量對周圍物體的暴露。
接近點火時間（左），接近預期的撒水操作時間（中），熱釋放率峰值（右）
LFP 在衰變階段(左)和自熄時的照片(右)
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
接近點火時間（左），接近預期的撒水操作時間（中），熱釋放率峰值（右）
在消防員干預之前NMC火災衰變階段的照片(火災沒有自滅)
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-30 大尺度自由燃燒試驗期間 NMC 火災發展的照片
四、撒水火災試驗
第一次灑水操作（左）和峰值熱釋放率（右）
LFP在火災衰變階段(左)和燃盡時(右)撒水測試的照片
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
第一次撒水操作（左）和峰值熱釋放率（右）
關閉撒水器後機架的視圖（左）和重新開啟撒水器時目標機架火災尺寸（右）
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-33 NMC 的測試後照片顯示了主機架和目標機架的完全耗盡
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
